Medizintechnik-Netzteile
GaN-Revolution für Home Care
Die zunehmende Versorgung und Überwachung von Patienten außerhalb von Praxen und Kliniken braucht leistungsfähige Home-Care-Geräte. Halbleiter auf GaN-Basis versprechen eine Revolution der medizinischen Stromversorgung.
Während der Corona-Pandemie verzeichnete der Bereich Home-Care einen erheblichen Zuwachs, da in Krankenhäusern nicht genügend Betten zur Verfügung standen und Corona-Patienten so weit wie möglich abgeschirmt werden sollten. Und der Trend hält an: Neben der Entlastung der öffentlichen medizinischen Infrastruktur sorgt die zunehmende medizinische Versorgung zuhause und die steigende häusliche Gesundheitsfürsorge für eine entspanntere Behandlung ohne weite oder häufige Anfahrten; sie reduziert Stress und Ängste der Patienten.
Bereits vor Corona befand sich der Home-Care-Markt mit dem Aufkommen digitaler Technologien, kompakterer Geräte und einer besseren Datenanbindung in einer Wachstumsphase. Viele Patienten können bereits heute in ihren eigenen vier Wänden behandelt werden; ein Beispiel ist die Dialyse zuhause. Medizinische Wearables, Apps und mobile Geräte fördern die Remote-Überwachung von Patienten durch weit entfernte medizinische Einrichtungen. Laut der Unternehmensberatung McKinsey könnten allein in den USA bis zu 265 Mio. US-Dollar an Dienstleistungen, die derzeit in lokalen medizinischen Einrichtungen erbracht werden, bis 2025 in den häuslichen Bereich verlagert werden. Geräte für die häusliche Gesundheitsüberwachung, Diagnostik und Therapie machen dabei mehr als die Hälfte des Marktvolumens aus.
Stromversorgung für Home Care
Geräte für die häusliche Gesundheitsfürsorge müssen neben der rein medizinischen Funktion für eine Remote-Überwachung, mögliche KI- und Analysefunktionen sowie Echtzeitzugriff um zusätzliche Funktionen erweitert werden. Dabei steigt der Leistungsbedarf der Medizingeräte, den eine verbaute MedTech-Stromversorgung bereitstellen muss. Einige neue Home-Care-Geräte liegen bereits am oberen Ende der verfügbaren Leistung, welche ein externes Netzteil bereitstellen kann.
Externe Medizingeräte haben mehrere Vorteile. Für den Gerätehersteller besteht der Hauptvorteil darin, dass die Sicherheitsisolierung, die für an Patienten angeschlossene Geräte entscheidend ist, kein Problem darstellt, da er ein bereits zugelassenes Gerät von einem Netzteil-Spezialisten bezieht.
Um die Tragbarkeit und den Komfort mobiler Geräte zu garantieren, stehen Entwickler vor der Herausforderung, höhere Leistungsstufen in Geräten bereitzustellen, die nicht wesentlich größer sind als ihre Vorgänger mit geringerer Leistungsfähigkeit. Im Mittelpunkt dieser Aufgabe stehen die Leistungsdichte und das Wärmemanagement, da das Abführen von Abwärme zusätzliche Kühlkörper erfordert, die Größe, Gewicht und Kosten erhöhen.
Die Abwärme lässt sich durch einen optimierten Wirkungsgrad der Stromversorgung verringern. Mit Halbleitern auf Silizium-Basis lassen sich die erforderlichen Wirkungsgrade jedoch nicht mehr erreichen.
Halbleiter mit breiter Bandlücke
Die Forderung, mehr Leistung in kompakten Lösungen bereitzustellen, gilt nicht nur für die medizinische Versorgung zuhause. Entwickler von Elektrofahrzeugen (EV) und Lösungen im Bereich erneuerbare Energien stehen vor ähnlichen Herausforderungen und wenden sich zunehmend Wide-Bandgap-Halbleitern (WBG) zu, um die Einschränkungen von Silizium zu überwinden.
Die Bandlücke bezieht sich auf die Energiedifferenz zwischen dem oberen Ende des Valenzbandes und dem unteren Ende des Leitungsbandes. Bei Bauelementen aus Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) ist diese Bandlücke deutlich größer, wodurch Leistungsbauelemente bei höheren Spannungen, Temperaturen und Frequenzen arbeiten können. Bei GaN-Bauelementen ist die Durchbruchspannung etwa 30-mal so hoch wie bei Silizium, was eine höhere Dotierung ermöglicht, die den Durchlasswiderstand zwischen Drain und Source (RDS(ON)) senkt und damit die Leitungsverluste sowie die verbundene Abwärme verringert.
Halbleiterbauelemente weisen Verluste während des Schaltvorgangs auf, wenn Strom zu fließen beginnt, während die Drain-Source-Spannung (UDS) hoch bleibt. Da GaN-Bauelemente jedoch schneller schalten können, sind diese Verluste im Vergleich zu Si oder sogar SiC deutlich geringer.
Um ein »Shoot Through« zu vermeiden – einen Kurzschluss während des Schaltens –, wird eine Totzeit hinzugefügt, in der beide Schalter in einer Halbbrücke ausgeschaltet sind. Während dieser Zeit fließt weiterhin Strom. Bei Si-Bauelementen fließt dieser durch die Body-Diode, die im Vergleich zu GaN-Bauelementen, die keine Body-Diode haben, relativ hohe Verluste aufweist, sodass der Strom durch den Drain-Source-Kanal mit geringem RDS(on) fließt. Dies ermöglicht einen effizienteren Betrieb.
Aufgrund der geringeren Schaltverluste können GaN-basierte Netzteile mit höheren Frequenzen arbeiten, in der Regel mit mindestens 200 kHz, was mehr als doppelt so hoch ist wie bei Schaltungen auf Si-Basis, die im Bereich von 60 bis 100 kHz arbeiten. Diese höhere Schaltfrequenz ermöglicht kleinere Transformatoren, Induktivitäten und Ausgangskondensatoren.
Da weniger Abwärme erzeugt wird und GaN-Bauelemente bei höherer Temperatur betrieben werden können, während die Zuverlässigkeit erhalten bleibt, ist der Bedarf an Komponenten für das Wärmemanagement wie Kühlkörpern, Rahmen oder Lüftern geringer oder sogar hinfällig. Dies trägt weiter zu einer Verringerung von Größe und Gewicht und einer entsprechend höheren Leistungsdichte bei.
Die geringere Größe bedeutet auch, dass weniger Materialien wie Metall, Kunststoff oder Kupfer benötigt werden – was GaN-Produkte nachhaltiger macht und zu weniger Abfall am Ende der Lebensdauer führt.
GaN-basierte Medizintechnik Netzteile
Im Vergleich zu bestehenden Produkten reduzieren kleinere, lüfterlose Netzteile auf GaN-Basis den Platzbedarf um die Hälfte, um aktuelle Leistungsdichten von bis zu 180 W/cm3 zu bieten. Dies gewährleistet eine kompakte Bauweise und trägt zu einem bequemen und tragbaren Produkt für die medizinische Versorgung zuhause bei. Ein Beispiel ist die AQM-Serie von XP Power. Die externen medizinischen Netzteile auf GaN-Basis bieten 200, 250 oder 300 W Leistung und können einen Wirkungsgrad von bis zu 94 Prozent erzielen.
Die medizinische Versorgung zuhause ist ein bedeutender und wachsender Markt – um aber sein volles Potenzial auszuschöpfen, müssen die zugehörigen MedTech-Netzteile mehr Leistung bei kompakter Bauweise liefern. Bestehende Technologien wie Silizium stoßen dabei an ihre Grenzen. GaN bietet im Vergleich zu Si geringere Verluste, schnelleres Schalten und einen Betrieb bei höheren Temperaturen, was wiederum die Größe der Komponenten und den Bedarf an Wärmemanagement reduziert und letztlich zu einer deutlich höheren Leistungsdichte führt.
Entwickler von Hochleistungsmedizingeräten können auf WBG-Materialien wie GaN zurückgreifen, um kompakte und dennoch leistungsstarke Lösungen zu liefern, die der Home-Care-Markt benötigt.
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